AFDX网络在预警监视飞艇中的应用分析*

薄云蛟 王大华

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

AFDX网络在预警监视飞艇中的应用分析*

薄云蛟 王大华

(海军工程大学电子工程学院 武汉 430033)

预警监视飞艇是一种新型信息化作战平台,针对其信息收集、处理和分发的任务特点,对其航空数据网络进行了需求分析。介绍了AFDX网络的技术特点,并在此基础上分析了AFDX网络作为预警监视飞艇数据网络的应用优势。

预警监视飞艇;航空数据网络;AFDX

Class NumberTP393.03

1 引言

飞艇是一种轻于空气的航空器,至今已有100多年的发展历程,上世纪90年代开始,现代科学技术与工艺使得飞艇重新焕发生机。新型飞艇具有许多其它飞行器无法比拟的优秀性能,如有效载荷大、低空性能好、续航时间长、运动自由度高、运行成本低、节能减排等[1]。因此,新型飞艇受到世界许多发达国家的关注,并竞相投入开发和使用。例如,2009年美国陆军提出“长航时多情报飞行器(LEMV)”的飞艇研发计划,该艇装备全动态视频系统和合成孔径雷达等,可探测路边炸弹和跟踪运动车辆、人员;通过多用途战术通用数据链,可插入“分布式通用地面站”系统,也可直接向陆军指挥人员提供信息。

由此可见,飞艇是一种优秀的空中平台,装配相应的电子设备,即可成为优秀的空中预警和监视平台、通信中继平台、海岸侦察和反潜平台、探雷和扫雷平台、空中指挥控制平台、空中电子对抗平台等[2]。如能利用低成本的飞艇联合其它的监视预警平台(卫星、地面雷达、舰船雷达、预警飞机等)构建立体多层面的预警体系,则可以不间断地对边境、领海和重要目标进行巡逻、监控,对越来越具威胁的隐身飞机、巡航导弹等高技术武器装备具良好的预警能力。

预警监视飞艇系统主要由飞艇平台系统、任务电子系统(包括预警雷达、SAR和光学侦察系统等)、遥控遥测系统、信息综合系统、导航系统和通信系统等部分组成。整个系统应能在设计工作时间内,完成以下主要任务:

1)信息收集。实时收集预警雷达等多种传感器获得的目标信息。

2)信息处理。对目标信息进行分析处理,形成预警监测信息下行数据包。

3)信息分发。通过高速数据链发送预警监测数据,包括原始视频数据和经过处理的目标图文信息。

2 预警监视飞艇系统数据网络信息交换需求

在航空平台有限的空间中实现航空电子系统的有效运转,需要解决两个问题:第一是信息资源的共享;第二是设备资源的共享。各个设备、模块和部件只有连成网络,才能共享信息和设备资源,才能充分发挥整个系统的效能。

有效的航空电子系统的综合对于内部互联的需求主要体现在带宽、实时性和可靠性三个方面。预警监视飞艇系统数据网络是一个多级复合网络,按照其功能可划分为前端传感器区、信号处理区、数据处理区、系统大容量存储器区和后端显示器区等。各个分区内部以及不同分区之间数据的传输交换任务不同,对数据网络的需求也不相同,现针对主要功能分区分析如下:

2.2 产后2 h阴道出血量 48例患者中有45例出血量为50～100 ml，2例出血量为150～200 ml出血量，1例出血量250～300 ml。

1)前端传感器数据网络,主要完成前端传感器信息到信号处理区的数据传输。前端传感器如雷达、光电、导航等,会连续输出大量数据,数据传输路径固定,并且相互独立。因此,前端传感器数据网络的拓扑结构相对固定,需要支持高速率、低延迟的数据传输,提供点到点和点到多点的连接。

2)信号处理区数据网络。信号处理区由多个信号处理模块和I/O模块组成,信号处理模块接收并处理前端传感器区传来的大量数据并且需要和I/O模块、数据处理区以及其它信号处理模块进行数据传输与交换。因此,信号处理区数据网络的拓扑结构可变,需要支持高速率、高确定性的数据传输与交换。

3)数据处理区数据网络,其拓扑结构和信息交换需求与信号处理区数据网络类似。

4)后端视频数据网络,主要完成显示处理机和显示器之间的数据传输,拓扑结构相对固定。

5)分区之间的数据网络,例如信号处理区与系统大容量存储器区之间的数据网络,主要进行突发数据和紧急消息(如系统控制命令和数据)的传输,因此对传输速率要求不高,但实时性和可靠性要求较高,需要进行容错设计[3]。

综上所述,高传输速率、强实时性、高可靠性和低延迟是预警监视飞艇系统数据网络的基本需求。

3 AFDX网络技术特点

随着航空电子技术的发展,新一代高速航空数据网络得到了广泛的应用,其中基于IEEE 802.3的航空电子全双工交换式以太网AFDX,由于其性能优良,被认为是未来大型飞机数据网络的首选标准。

AFDX网络主要由航空电子子系统、端系统(End System)和AFDX交换机(Switch)三部分组成。航空电子子系统通过端系统以全双工方式连接到AFDX交换机,通过交换机完成数据的交换,如图1所示。

图1 AFDX网络系统组成

·虚链路的隔离:为了避免在同一物理连接上不同虚链路之间的干扰,需要限制虚链路上所传输以太网帧的传输速率,以及限制以太网帧的大小,由带宽分配间隔(BAG)和最大帧长度(Lmax)两个参数决定。端系统在每个虚链路的基础上调整要发送的数据帧,保证同一虚链路上一个BAG时间间隔内传输的数据包不超过一个。

·虚链路的调度:当端系统拥有多个虚链路时,虚链路调度程序按照一定实时调度策略对来自不同虚链路的数据帧进行调度,保证数据帧的发送满足不同数据流的实时性要求。当数据帧到达虚链路时,端系统可能引起抖动。这个抖动的范围为从开始的BAG到第一个以虚链路分配的最大分配带宽传输的帧之间的间隔。为了限制端系统的瞬时帧速率,从而适应其他虚链路的帧,在调度器的输出端,特定虚链路上数据帧要出现在有限的时间间隔内,这个时间间隔定义为最大可以允许的抖动(Max Jitter),如图2所示。ARINC-664限制每条虚链路上最大的抖动为500μ s,以控制对于整个网络确定性的影响。

图2 抖动的定义

此外,AFDX网络通过在每个端系统之间配置两个独立的路径(包括媒体控制层MAC、PHY和电缆),并在网络上同时传输相同的帧来实现冗余管理。

4 AFDX在预警监视飞艇中的应用分析

4.1 带宽

预警监视飞艇搭载了预警雷达、SAR、光电系统等多种任务电子系统,根据综合航电系统的设计思想,为了提高其系统信息融合能力,需要把传感器原始数据通过高速数据网络传输至通用核心处理模块,因此其前端传感器数据网络对带宽的要求很高。例如一个具有100万像素、30Hz帧频率和8位灰度等级的前视红外成像传感器将产生240Mb/s的原始数据速率。而AFDX网络在采用电缆作为传输介质的情况下,其带宽已经可以达到100Mb/s,如果采用光纤介质,更可以达到 1000Mb/s或更高,通过全双工交换网络连接传感器和信号处理模块,可以建立稳定的高速连接通道。

4.2 实时性

图3 预警监视飞艇数据网络结构图

航空电子系统对网络实时性的要求很高,传统的以太网无法满足,而AFDX通过精确的流量整形控制单个虚链路上分组的发送间隔,限制了虚链路的突发度,控制了聚合流量最坏条件下的排队延迟界限[4～5],使得帧的传输服从一个有界的到达分布,进而保证网络端到端的最大传输时延是可计算的。当发送端系统存在多条虚链路时,通过调度器对来自整形器的多个虚链路的数据流进行实时调度,以满足不同的实时性要求,解决了以太网延迟不确定的问题。采用静态虚链路表的方式进行目的端口的寻址,以控制寻址时间,保证网络的实时确定性能。

4.3 网络容错能力与可靠性

AFDX通过冗余路径来提高网络的可靠性,每一个端系统与交换机之间有一条直接的双向连接,同时还与另一个交换机之间保持第二条双向连接[6～7]。每个端系统将要发送的帧编号复制成两份,分别通过物理上独立的交换设备向目的端发送。端系统具有冗余管理功能,目的端系统根据顺序号按顺序接收,如果两个都传输正常,则后者被丢弃;如果其中一个传输出现了故障,用另一个替代。这样一个网络节点的瘫痪不会影响整个网络的通信,从而减少了数据的丢失,提高了系统的可靠性。

4.4 网络结构设计

以AFDX作为主干网络的预警监视飞艇数据网络,由中央处理系统、网络介质总线、交换与连接设备共同搭建组成,其中交换与连接设备包括AFDX交换机和数据转换器。通过这样的核心网络与艇载任务电子系统、信息综合系统、飞行管理系统等系统设备互连便构成预警监视飞艇的综合航空电子系统,如图3所示。

中央处理系统包括两台互为冗余的机柜,每台机柜中包含若干图形生成模块、通用计算处理模块以及AFDX核心交换模块等。这些模块与模块之间通过数据交换网络、串行总线或并行总线相互联系。

图形生成模块与综合显示系统相连接,提供驾驶舱综合显示控制平台的信息处理与传递控制。通用计算处理模块通过不同的应用软件为艇载设备提供数据处理服务,以及发送控制命令。AFDX核心交换模块将外部艇载设备或数据转换器的数据传递给通用计算处理模块。数据转换器提供对模拟、数字、光信号和电信号之间的相互转换功能,将信号转换为AFDX网络所能识别的信号协议形式。

这样,由AFDX作为主干网络的预警监视飞艇数据网络结构清晰,系统互联简便易行,而且具有高度的开放性。

5 结语

预警监视飞艇是一种新型信息化作战平台,其作为信息收集、处理和分发中心的任务特点,对航空数据网络的带宽、实时性、可靠性等提出了很高的要求。AFDX基于IEEE 802.3以太网的物理层技术,通过精确的流量整形控制和实时调度策略有效地解决了以太网的延迟时间不确定问题,引入虚链路概念实现对带宽资源的有效分配和隔离,提高了网络的带宽利用率,物理上的冗余路径和基于虚链路的数据冗余管理提高了网络的可靠性,具备优良的综合性能,可以为作为预警监视飞艇的主干数据网络。

[1]王大华,戴子杰,任鹏.救灾需求牵引飞艇发展[N].中国航天报,2008-06-05(3)

[2]兰俊杰,任寿亭,邓光海.飞艇的信息战应用研究[J].航天电子对抗,2007,23(2):22～24

[3]陶健,张占平,郑戊午,等.机载实时容错分布式计算机系统数据网络的设计与实现[J].航空计算技术,2008,38(6):102～106

[4]熊华钢,李峭,黄永葵.航空电子全双工交换式从太网标准研究[J].航空标准化与质量,2008,2(1):25～28

[5]熊华钢,李峭,黄永葵.航空电子全双工交换式从太网标准研究(续)[J].航空标准化与质量,2008,4(2):20～23

[6]Bisson K.Troshynski T.Switched Ethernet Testing forAvionics Applications[J].IEEE A&E Systems Magazine,2004(5):31～35

[7]石改辉,张原,李达.全双工交换式以太网研究[M].信息安全与通信保密,2007(5):51～55

Application Analysis of AFDX in Early Warning Surveillance Airship

Bo Yunjiao Wang Dahua
(College of Electronics Engineering,Naval University of Engineering,Wuhan 430033)

Early warning surveillance airship is a new platform for information warfare.For its task of information collection,processing and distribution,this paper analyzes the requirements of its avionics data network.Then it introduces the characteristics of AFDX,after that,the application advantages of AFDX are analyzed as avionics data network of early warning surveillance airship.

early warning surveillance airship,avionics data network,AFDX

TP393.03

2010年8月21日,

2010年9月30日

薄云蛟,男,硕士研究生,研究方向:系统分析与设计。